C-mount封装激光器热特性分析与热沉结构优化研究

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果,基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构,研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下,腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K,热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构,使封装激光器的结温降低为333.8 K,热阻减小到3.5 K/W。计算表明,其输出功率可提高近20%。     

高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究

为实现半导体激光器单管的高功率输出,研究了使用氮化铝和碳化硅两种陶瓷材料制成的三明治型过渡热沉的散热性能。首先使用有限元分析方法计算,然后利用光谱法测量激光器的工作热阻。数值计算和实验测量结果均显示,碳化硅制成的过渡热沉所封装器件的工作热阻更低,散热效果更好。此外,实验进一步测试了器件的光电特性,结果表明碳化硅陶瓷制成的过渡热沉封装器件的电光转换效率更高、输出功率更大。915 nm附近单管器件在注入电流15 A时的输出功率为16.3 W,最高电光转换效率达到了68.3%。     

多有源区隧道再生半导体激光器稳态热特性

 利用有限元软件ANSYS结合傅里叶定律,对制约适用于光纤耦合输出的新型高功率多有源区隧道再生半导体激光器长寿命工作的稳态热特性进行了系统计算、分析。获得了这种新型器件工作时各有源区温度分布特征及与传统单有源区器件稳态热特性的区别,并给出了多有源区隧道再生半导体激光器工作时各有源区温度的估算方法,同时对有效降低这种新型器件热阻的方法进行了讨论。结果表明:连续工作时,多有源区隧道再生半导体激光器比同材料体系传统结构器件更易获得较高的输出功率。     

10 W级主控振荡放大半导体激光芯片封装实验研究

结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素,为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题,提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型,对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明,采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近,且显著优于正装无辅助次热沉结构,结温降低幅度最高可达40%。另外,采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W,谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm,中心波长随电流的变化约14 pm/A,实现了10 W级MOPA芯片的封装,验证了该封装结构的有效性。     

径向桥电极高功率垂直腔面发射激光器

为改善高功率垂直腔面发射半导体激光器的热特性,提高它的输出功率,研制了新型径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件,对新型半导体激光器的结构模型进行理论分析表明,采用径向桥式电极可以降低器件P型DBR电阻,减小焦耳热;降低热阻,提高器件的散热能力。实验制备了出光孔径同为200μm的径向桥电极与常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器,并对器件的性能进行了实验对比测试。结果表明径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器器件的微分电阻为0.43Ω;室温下最大输出功率可达340 mW,是常规电极垂直腔面发射半导体激光器的1.7倍;器件的热阻为0.095℃/mW,在80℃时,仍能正常激射,具有良好的热特性,径向桥电极高功率垂直腔面发射半导体激光器的光电特性与温度特性要远好于常规电极的高功率垂直腔面发射半导体激光器器件。     

基于多芯片封装的半导体激光器热特性

设计了一种由12只单条形芯片分为2组以从高到低阶梯排列的百瓦级半导体激光器结构。针对其在稳态工作条件下的热特性利用ANSYS软件进行了模拟分析,通过改变Cu热沉的宽度、间距和高度差,得到了最高和最低Cu热沉封装的芯片有源区温度及两者温度差值的变化规律。最后设计了一种较为理想的百W级半导体激光器的散热结构。     

高密度封装二极管激光器阵列

 理论模拟了自制的高效冷却器的散热能力,分析了单元封装结构所需材料的导热特性,获得了高功率二极管激光器在高功率密度、高占空比条件下运行的可行性。改进了高密度封装的关键工艺,热沉金属化层达到了3~5 mm,焊料厚度为4~7 mm,封装间距0.6 mm,采用峰值功率1 kW的背冷式叠阵二极管激光器。实验测试结果表明:封装的二极管激光器叠阵单元的整体封装热阻为0.115 ℃/W,有良好的散热能力;该叠阵模块在电流为100 A、占空比15%时,输出峰值功率为986 W,峰值功率密度达到1.5 kW/cm2,平均每个板条的斜效率为1.25 W/A,激光器阈值电流为20 A左右。     

大功率半导体激光器叠层无氧铜微通道热沉

建立了叠层无氧铜微通道热沉的散热模型,通过理论计算和近似分析,优化了微通道热沉的结构参数;在t=200μm, ωc=60μm, ωf=100μm,p=2. 02×106 Pa时,可获得最小热沉热阻Rthm =4. 205×10-3 K·cm2 /W。根据优化结果,考虑微通道取向对液压降的影响,设计了一种新型大功率半导体激光器叠阵用五层结构叠层无氧铜微通道热沉,并结合实际工艺制备了无氧铜微通道热沉。在实际工作中,优化结果往往要跟实际工艺相结合,如优化所得的水压降为 2 02×106 Pa,这在实际工艺中较难实现。但在热沉实际工作的水压降条件下,热阻为 4. 982×10-3 K·cm2 /W,它能满足高功率激光器叠阵的需要。     

AuSn焊料组分对半导体激光器件性能的影响

为了提高半导体激光器件的可靠性,研究了AlN过渡热沉上AuSn焊料不同配比对半导体激光器器件性能的影响。利用MOCVD 生长975 nm芯片,通过对半导体激光器器件表面形貌、空洞、光谱特性、热阻特性以及寿命测试,Au组分比重低于72%的AlN过渡热沉封装器件表面颜色明显不同于组分相对较高的,空洞较多,平均波长红移约5 nm,在寿命试验中过早失效,最终得出AuSn焊料中Au组分比重最好大于72%,小于80%,才能保证封装器件焊接质量,为实际生产和使用提供了指导意义。     

高功率密度激光二极管叠层散热结构的热分析

高功率窄间距列阵叠层是提高激光二极管泵浦源光功率密度的有效途径,而封装散热热沉的结构设计在其热管理上占据至关重要的作用。本文利用ANSYS有限元分析方法,对叠层间距、绝缘陶瓷厚度以及陶瓷底面与散热恒温面距离等几个影响高功率密度激光二极管叠层封装散热的重要因素进行了分析,得到器件的最高温度随结构参数变化的规律,并对上述参数进行优化。最后,利用优化结果设计出一种适用于高功率密度激光二极管叠层泵浦源的高效有源散热热沉结构,大幅提高了器件的散热能力,并降低了所需冷却水的水泵功耗需求。     

多单管堆叠半导体激光器热分析及光纤耦合模拟仿真设计

多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法,但其存在封装方式单一、体积大等问题,难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构,通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间,使得器件更加小型化,在充分利用单管半导体激光器优势的同时,既增加了单管半导体激光器的散热通道,又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟,将光束耦合进芯径200μm、数值孔径0.22的光纤中,可以达到28.6 W的激光输出,耦合效率为95%。     

基于拉曼热测量技术的铜基复合物法兰GaN基晶体管的热阻分析

采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型,分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻,发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%,器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%,这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性.通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析,发现除了封装法兰以外,热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻,降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键.同时,详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程,展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.     

高功率二极管激光器模块式微通道冷却器研制

针对高功率二极管激光器(DL)的散热需求,对不同结构的微通道冷却器进行了模拟散热计算,优化了冷却器的结构参数.冷却器采用Cu-WCu合金复合结构,由多层金属片焊接而成,其内部散热片采用具有高热导率的无氧铜制作,上、下表面采用硬度高,热导率也较高的WCu合金制作.这种结构不仅避免了无氧铜较软、面形和棱边质量难控制的缺点,还可提高冷却器的强度,使冷却器可以做得较薄.冷却器外形尺寸为25.0 mm×12.0 mm×1.5 mm.使用连续二极管激光器板条和模拟热源对不同内部结构的微通道冷却器的热阻进行了实验测量,冷却器的热阻为0.4～0.8 K/W.研制的模块式微通道冷却器可满足连续50 W或脉冲功率120 W(20%占空比)的高功率二极管激光器板条的散热需求,堆叠的二维叠阵DL可以很好地用作高平均功率DPL的泵浦源.     

传导冷却半导体激光阵列温度均匀化研究

高功率半导体激光器阵列已经广泛应用于许多领域。Smile效应是由高功率半导体激光器阵列（巴条）本身在封装过程中与热沉之间热膨胀系数（CTE）失配导致的热应力造成的。各个发光点在横向上不在一条直线上,从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲。较大的Smile值可以引起光束质量降低、造成光束耦合和光束整形困难。为了降低热串扰实现巴条温度均匀化,我们在传统CS热沉的基础上,引入高热导率铜基石墨烯（GCF）与孔状结构,对CS被动式制冷半导体巴条热应力分布不均导致的Smile效应进行了数值模拟与仿真分析。在热功率为60 W的条件下,一方面,当仅有GCF材料,并且其长度为8 mm时,温差从最初的7.94 ℃降低到3.65 ℃;另一方面,在合理的温升范围内,当GCF的长度为8 mm时,结合增加热沉热阻的孔状结构时,温差进一步降低到3.18 ℃。     

915 nm宽条形半导体激光器输出特性

为了研究温升对915 nm宽条形应变量子阱半导体激光器输出特性的影响,搭建了基于半导体制冷片(TEC)的双向温控平台对其进行了测试。首先,改变激光器的外表面温度,测量其在不同注入电流时的光功率和波长,并利用CCD相机测量其慢轴发散角。然后,利用计算机仿真软件对激光器的工作状态进行稳态模拟,从而获得了其对应的热分布情况,通过将模拟得到的数据与实验测量的结果进行比较,获得了两者趋于一致的结论:当热功率从2.1 W升高至20.0 W时,慢轴发散角从2.6°增大至5.0°,同时波长发生红移,热透镜焦距减小;激光器波长随温度变化关系的系数约为0.4 nm/℃,器件热阻为1.5 K/W。因此,为了同时获得高的输出功率和稳定的输出波长,有必要将激光器外表面温度精确控制在某一数值,否则波长将会发生漂移;此外,在设计制作高功率半导体激光器时,通过适当增加条宽并采用散热良好的封装结构,可以减小对慢轴发散角的影响。     

808nm大孔径垂直腔面发射激光器研究

垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的载流子聚集效应使注入到有源区的工作电流只是通过边缘环形区域很窄的通道,激光功率密度分布不均匀;尤其当器件尺寸较大时,激射光斑呈现环状,环中间光强很弱.这是研制电抽运高功率大尺寸VCSEL尤为突出的技术难题.采用新型结构成功研制出808 nm波段高功率大孔径VCSEL,在注入电流为1A时,室温下连续输出功率达0.3 W. 关键词： 半导体激光器 垂直腔面发射激光器 高功率 大孔径     

高功率半导体激光器微通道热沉的方案设计

 对用于高功率半导体激光器的叠片式微通道热沉进行方案设计,利用计算流体力学和数值传热学对各种方案进行数值仿真,研究了微通道的特征尺寸和流量等因素对冷却效果和流动阻力特性的影响,一般情况下,减小微通道的特征尺寸和增加冷却水的流量可以降低传热热阻,但增加了流动压力损失;另外对金刚石热扩散片（次热沉）的效果也进行了数值计算,计算结果表明:金刚石热扩散片在该类型问题中降低温度作用明显。     

反射式倒装对1 300 nm激光器性能改善的分析

对AlGaInAs多量子阱1 300 nm FP激光器进行反射式倒装封装,在热沉上靠近激光器出光端面约10~20 μm的区域采用Au反射层,对器件垂直方向出光进行反射。测试结果显示,与常规封装相比,采用这种结构封装芯片垂直发散角从34.5°降低至17°,器件单模光纤的平均耦合功率从1 850 μW提高至2 326 μW,耦合效率从21.1%提高到26.5%。对两种激光器进行光电参数的测量,结果表明：与常规封装器件相比,采用反射式倒装结构器件的饱和电流从135 mA提高至155 mA,饱和输出功率从37 mW提高至42 mW,热阻从194 K/W降低至131 K/W。最后对两种器件在95℃环境温度、100 mA电流下进行加速老化实验,老化结果显示：在老化条件下,器件衰退系数从常规封装的4.22×10^-5降低至1.06×10^-5,寿命从5 283 h提高至21 027 h。     

高功率半导体巴条激光器的热特性分析

对采用5层叠焊的微通道无氧铜热沉冷却的巴条激光器进行了流体动力学(CFD)分析。建立了条宽10 mm、腔长1.5 mm巴条芯片的流固耦合共轭传热模型,得到了不同流量水冷下激光器的热阻和压力损失曲线。分析了300 m L/min水流时,激光器的温度分布和冷却水的流动性能。实验条件下,测试了该微通道热沉封装的808 nm巴条激光器的热阻和压力损失。数值计算和实验测试所得的结果一致,在300 m L/min水流下,巴条热阻为0.38℃/W,在温度不高于70℃时可满足连续模式下90 W的散热要求。     

岐管式微通道冷却热沉的三维数值优化

微尺度传热是近几年来发展起来的一种重要传热技术,广泛应用于高集成度的电子器件的冷却。大功率半导体激光器的热沉积是限制其性能发挥和功率进一步提高的瓶颈。本文研究的热沉用于冷却一种以半导体激光条阵列为泵浦的大功率激光器,其10 mm×1 mm半导体激光条表面的热流密度高达400 W／cm2。本文对以无氧铜为材料、以水为冷却介质的微通道热沉的结构尺寸进行了优化设计。结果表明,热沉结构对热阻、泵功、半导体激光条表面温度分布有重要影响,其中微通道进出口宽度对泵功的影响最大。